Um den Flugverkehr der Zukunft nachhaltiger zu gestalten, ist es nötig, die Effizienz von Flugtriebwerken zu erhöhen. Dadurch können die CO raisebox-0.4ex footnotesize 2-Emissionen, die Stickoxide (NO raisebox-0.4ex footnotesize x), aber auch die Geräuschemissionen reduziert werden. Der thermische Wirkungsgrad eines Triebwerks wird primär über das Gesamtdruckverhältnis und die Turbineneintrittstemperatur bestimmt. Aber auch der Kühlluftbedarf, der zur aktiven Kühlung der Komponenten im Heißgaspfad benötigt wird, beeinflusst den thermischen Wirkungsgrad. Diese Kühlluft wird dem Verdichter entnommen und beträgt bis zu 30 ,% des Gesamtmassenstroms des Kerntriebwerks. Dadurch kann ein nicht zu vernachlässigender Anteil des Gesamtmassenstroms nicht am thermodynamischen Prozess teilnehmen. Eine Reduktion dieses Kühlluftbedarfs führt zu einer direkten Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads.
Diese Arbeit schafft eine Datenbasis zur Entwicklung verbesserter Transitions- und Rauheitsmodelle. Hierzu wird unter anderem der Einfluss der turbulenten Längenmaße auf die Startstelle der Transition untersucht. Neben der Freistromturbulenz wird eine systematische Variation der Oberflächenrauheit inkl. deren Wärmeleitfähigkeit durchgeführt. An glatten Oberflächen wird erstmals die Entstehung und Ausbreitung von Turbulenzflecken mit einem hochauflösenden Heißfilmsensorarray untersucht. Diese Untersuchung ermöglicht einzigartige Einblicke in die Mechanismen der Transition. Weiterhin werden auf Basis dieser neuen Erkenntnisse zum Einfluss rauer Oberflächen auf Grenzschichtströmungen Korrelationen für die Startstelle der Transition und den turbulenten Wärmeübergang an rauen Oberflächen entwickelt.
Aktualisiert: 2023-05-25
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Die Forderung nach immer effizienteren Antrieben in der Luftfahrt und steigenden Wirkungsgraden von stationären Gasturbinen erfordert weitere Verbesserungen bei der Auslegung der Turbinenschaufeln. Ein großes Potential ist hier bei der Vorhersage des laminar-turbulenten Übergangs vorhanden, da durch eine Verringerung der damit verbundenen Unsicherheit und eine präzisere Auslegung Kühlluft eingespart werden kann.
In dieser Arbeit wird deshalb ein neuer Prüfstand vorgestellt, mit dem eine breite experimentelle Datenbasis geschaffen wird, die zu Modellierungszwecken genutzt werden kann. Erstmals wird gezielt neben der Turbulenzintensität auch die spektrale Größenverteilung der Turbulenzwirbel variiert, wodurch die Einflüsse beider Parameter herausgestellt werden. Mit den Messdaten lässt sich ein signifikanter Einfluss der turbulenten Längenmaße auf die Starstelle der Transition darstellen.
Die Entwicklung einer neuen Messtechnik mit traversierbaren Heißfilmsensoren erlaubt eine bedeutende Steigerung der räumlichen Messauflösung bei dieser Messtechnik. Diese Technik eröffnet erstmals die Möglichkeit, den Bereich, in dem Turbulenzflecken entstehen, unter für Turbinen typischen Randbedingungen detailliert zu analysieren.
Im Anschluss an die experimentelle Untersuchung wird ein erster Modellierungsansatz für transitionale Grenzschichtströmungen vorgestellt, der sich durch separate Betrachtung der Produktionsrate und der Ausbreitungsparameter von Turbulenzflecken von herkömmlichen Modellen unterscheidet.
Aktualisiert: 2023-05-16
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Um den Flugverkehr der Zukunft nachhaltiger zu gestalten, ist es nötig, die Effizienz von Flugtriebwerken zu erhöhen. Dadurch können die CO raisebox-0.4ex footnotesize 2-Emissionen, die Stickoxide (NO raisebox-0.4ex footnotesize x), aber auch die Geräuschemissionen reduziert werden. Der thermische Wirkungsgrad eines Triebwerks wird primär über das Gesamtdruckverhältnis und die Turbineneintrittstemperatur bestimmt. Aber auch der Kühlluftbedarf, der zur aktiven Kühlung der Komponenten im Heißgaspfad benötigt wird, beeinflusst den thermischen Wirkungsgrad. Diese Kühlluft wird dem Verdichter entnommen und beträgt bis zu 30 ,% des Gesamtmassenstroms des Kerntriebwerks. Dadurch kann ein nicht zu vernachlässigender Anteil des Gesamtmassenstroms nicht am thermodynamischen Prozess teilnehmen. Eine Reduktion dieses Kühlluftbedarfs führt zu einer direkten Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads.
Diese Arbeit schafft eine Datenbasis zur Entwicklung verbesserter Transitions- und Rauheitsmodelle. Hierzu wird unter anderem der Einfluss der turbulenten Längenmaße auf die Startstelle der Transition untersucht. Neben der Freistromturbulenz wird eine systematische Variation der Oberflächenrauheit inkl. deren Wärmeleitfähigkeit durchgeführt. An glatten Oberflächen wird erstmals die Entstehung und Ausbreitung von Turbulenzflecken mit einem hochauflösenden Heißfilmsensorarray untersucht. Diese Untersuchung ermöglicht einzigartige Einblicke in die Mechanismen der Transition. Weiterhin werden auf Basis dieser neuen Erkenntnisse zum Einfluss rauer Oberflächen auf Grenzschichtströmungen Korrelationen für die Startstelle der Transition und den turbulenten Wärmeübergang an rauen Oberflächen entwickelt.
Aktualisiert: 2023-05-16
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Um den Flugverkehr der Zukunft nachhaltiger zu gestalten, ist es nötig, die Effizienz von Flugtriebwerken zu erhöhen. Dadurch können die CO raisebox{-0.4ex{ footnotesize 2-Emissionen, die Stickoxide (NO raisebox{-0.4ex{ footnotesize x), aber auch die Geräuschemissionen reduziert werden. Der thermische Wirkungsgrad eines Triebwerks wird primär über das Gesamtdruckverhältnis und die Turbineneintrittstemperatur bestimmt. Aber auch der Kühlluftbedarf, der zur aktiven Kühlung der Komponenten im Heißgaspfad benötigt wird, beeinflusst den thermischen Wirkungsgrad. Diese Kühlluft wird dem Verdichter entnommen und beträgt bis zu 30 , % des Gesamtmassenstroms des Kerntriebwerks. Dadurch kann ein nicht zu vernachlässigender Anteil des Gesamtmassenstroms nicht am thermodynamischen Prozess teilnehmen. Eine Reduktion dieses Kühlluftbedarfs führt zu einer direkten Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads.
Diese Arbeit schafft eine Datenbasis zur Entwicklung verbesserter Transitions- und Rauheitsmodelle. Hierzu wird unter anderem der Einfluss der turbulenten Längenmaße auf die Startstelle der Transition untersucht. Neben der Freistromturbulenz wird eine systematische Variation der Oberflächenrauheit inkl. deren Wärmeleitfähigkeit durchgeführt. An glatten Oberflächen wird erstmals die Entstehung und Ausbreitung von Turbulenzflecken mit einem hochauflösenden Heißfilmsensorarray untersucht. Diese Untersuchung ermöglicht einzigartige Einblicke in die Mechanismen der Transition. Weiterhin werden auf Basis dieser neuen Erkenntnisse zum Einfluss rauer Oberflächen auf Grenzschichtströmungen Korrelationen für die Startstelle der Transition und den turbulenten Wärmeübergang an rauen Oberflächen entwickelt.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Die Forderung nach immer effizienteren Antrieben in der Luftfahrt und steigenden Wirkungsgraden von stationären Gasturbinen erfordert weitere Verbesserungen bei der Auslegung der Turbinenschaufeln. Ein großes Potential ist hier bei der Vorhersage des laminar-turbulenten Übergangs vorhanden, da durch eine Verringerung der damit verbundenen Unsicherheit und eine präzisere Auslegung Kühlluft eingespart werden kann.
In dieser Arbeit wird deshalb ein neuer Prüfstand vorgestellt, mit dem eine breite experimentelle Datenbasis geschaffen wird, die zu Modellierungszwecken genutzt werden kann. Erstmals wird gezielt neben der Turbulenzintensität auch die spektrale Größenverteilung der Turbulenzwirbel variiert, wodurch die Einflüsse beider Parameter herausgestellt werden. Mit den Messdaten lässt sich ein signifikanter Einfluss der turbulenten Längenmaße auf die Starstelle der Transition darstellen.
Die Entwicklung einer neuen Messtechnik mit traversierbaren Heißfilmsensoren erlaubt eine bedeutende Steigerung der räumlichen Messauflösung bei dieser Messtechnik. Diese Technik eröffnet erstmals die Möglichkeit, den Bereich, in dem Turbulenzflecken entstehen, unter für Turbinen typischen Randbedingungen detailliert zu analysieren.
Im Anschluss an die experimentelle Untersuchung wird ein erster Modellierungsansatz für transitionale Grenzschichtströmungen vorgestellt, der sich durch separate Betrachtung der Produktionsrate und der Ausbreitungsparameter von Turbulenzflecken von herkömmlichen Modellen unterscheidet.
Aktualisiert: 2023-05-15
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